Thermoelement

Thermoelement (schematische Darstellung)

Ein Thermoelement wandelt durch Thermoelektrizität Wärme in elektrische Energie um. Im engeren Sinn ist es ein Bauteil aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen Metallen zur Temperaturmessung. Eine Temperaturdifferenz erzeugt einen Wärmefluss und eine Thermospannung.

Thermoelemente heißen thermoelektrische Generatoren (TEG), wenn sie elektrische Energie bereitstellen.

Funktionsweise

Schaltsymbol des Thermoelements (Minus-Pol: dicke Linie)

An den freien Enden der beiden miteinander verbundenen Leiter wird bei einer Temperaturdifferenz entlang der Leiter aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung erzeugt. Die Verbindungsstelle und die freien Enden müssen dazu unterschiedliche Temperaturen aufweisen.

Als Seebeck-Effekt wird das Auftreten einer Spannung zwischen zwei Stellen unterschiedlicher Temperatur eines Leiters bezeichnet. Die Potentialdifferenz ist annähernd proportional zur Temperaturdifferenz und abhängig vom Leitermaterial. Temperaturdifferenzen innerhalb eines Leiters heben sich stets auf, da die Enden zum Messen auf gleicher Temperatur liegen müssen (sonst misst man zusätzlich die in der Messleitung entstehende Thermospannung). Wenn man zwei unterschiedliche Leitermaterialien verbindet, hat man ein Thermoelement. An den Enden kann allerdings noch keine Spannung gemessen werden. Es muss noch ein Draht mit einem anderen k-Wert in Reihe geschaltet werden. In kompakten Messsystemen ist meist einfach ein zweites Thermoelement in Reihe geschaltet. Das stellt die Vergleichsstellenmessung dar. Diese Vergleichsstellenmessung befindet sich normalerweise im Messgerät. An den äußeren Anschlüssen kann jetzt eine Spannung gemessen werden. Das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und zu messender Temperatur ist nichtlinear. Aus Tabellen lassen sich jetzt zugehörige Temperaturen ablesen. Für genaue Messungen werden Funktionen bis zu 15. Ordnung benötigt. Bei metallischen Leitern treten Spannungen im Bereich einiger Mikrovolt bis Millivolt auf. Diese Spannung ist allerdings eine Spannungsdifferenz zwischen dem Thermoelement, welches die eigentliche Temperatur messen soll, und dem Thermoelement der Vergleichsstellenmessung.

Da die Proportionalitätskonstante eines einzelnen Leiters nicht gemessen werden kann, wird ein relativ zu Platin ermittelter thermoelektrischer Koeffizient angegeben. Dieser so genannte k-Wert gestattet es, die Thermospannung der Metallpaarung eines Thermoelementes zu errechnen. Die nach ihm sortierten Metalle bilden die thermoelektrische Spannungsreihe (vgl. DIN EN 60584), analog zur (relativ zur Wasserstoffelektrode ermittelten) elektrochemischen Spannungsreihe.

Bei der Auswahl einer Materialpaarung zu Messzwecken strebt man eine hohe Thermospannung, hohe Linearität und hohe Korrosionsfestigkeit beziehungsweise geringe Oxidation bei hohen Temperaturen an. Diese Ziele sind nicht mit einer einzigen Kombination erreichbar. Daher werden je nach Einsatzzweck unterschiedliche Materialpaarungen verwendet.

Spitze eines geschweißten Thermoelementes vom Typ J

Thermoelement vom Typ K mit einem Stecker

Weit verbreitete Thermoelementpaarungen:

• Nickel-Chrom/Nickel −270 bis 1372 °C (Typ K; häufigster Typ mit Thermospannungen zwischen −6458 µV bei −270 °C und 54886 µV bei 1372 °C)^[1]
• Eisen-Kupfer/Nickel −50 bis 760 °C (Typ J; genauer für Industrieanwendungen mit Thermospannungen zwischen −8095 µV bei −210 °C und 42919 µV bei 760 °C)
• Platin-Rhodium/Platin 0 bis 1600 °C (Typ S; für hohe Temperaturen)

Für die Messung hoher Temperaturen (T > 1600 °C) werden auch Iridium-Iridium/Rhodium- und Wolfram-5%-Rhenium/Wolfram-25-%-Rhenium-Thermoelemente, für die Messung niedriger Temperaturen (T < −250 °C) Gold/Eisen-Nickel/Chrom- oder Gold/Eisen-Gold/Silber-Thermoelemente verwendet.

Die geringe Messspannung erfordert oft den Einsatz eines Chopper-Verstärkers.

Vergleich verschiedener Thermoelemente

Die folgende Tabelle beschreibt die Eigenschaften verschiedener Typen von Thermoelementen. Bei den Angaben zur Toleranz steht T für die Temperatur des Metallübergangs in °C. Beispielsweise hat ein Thermoelement mit der Toleranz von ±0.0025×T eine Toleranz von ±2.5 °C bei 1000 °C.

Typ	Temperatur- bereich °C (dauer)	Temperatur- bereich °C (kurzfristig)	Toleranzklasse 1 (°C)	Toleranzklasse 2 (°C)	IEC Farbcode	BS Farbcode	ANSI Farbcode
K	0 bis +1100	−180 bis +1300	±1.5 zwischen −40 °C und 375 °C ±0.004×T zwischen 375 °C und 1000 °C	±2.5 zwischen −40 °C und 333 °C ±0.0075×T zwischen 333 °C und 1200 °C
J	0 bis +750	−180 bis +800	±1.5 zwischen −40 °C und 375 °C ±0.004×T zwischen 375 °C und 750 °C	±2.5 zwischen −40 °C und 333 °C ±0.0075×T zwischen 333 °C und 750 °C
N	0 bis +1100	−270 bis +1300	±1.5 zwischen −40 °C und 375 °C ±0.004×T zwischen 375 °C und 1000 °C	±2.5 zwischen −40 °C und 333 °C ±0.0075×T zwischen 333 °C und 1200 °C
R	0 bis +1600	−50 bis +1700	±1.0 zwischen 0 °C und 1100 °C ±[1 + 0.003×(T − 1100)] zwischen 1100 °C und 1600 °C	±1.5 zwischen 0 °C und 600 °C ±0.0025×T zwischen 600 °C und 1600 °C			nicht definiert.
S	0 bis +1600	−50 bis +1750	±1.0 zwischen 0 °C und 1100 °C ±[1 + 0.003×(T − 1100)] zwischen 1100 °C und 1600 °C	±1.5 zwischen 0 °C und 600 °C ±0.0025×T zwischen 600 °C und 1600 °C			nicht definiert.
B	+200 bis +1700	0 bis +1820	Nicht verfügbar	±0.0025×T zwischen 600 °C und 1700 °C	nicht definiert	nicht definiert	nicht definiert.
T	−185 bis +300	−250 bis +400	±0.5 zwischen −40 °C und 125 °C ±0.004×T zwischen 125 °C und 350 °C	±1.0 zwischen −40 °C und 133 °C ±0.0075×T zwischen 133 °C und 350 °C
E	0 bis +800	−40 bis +900	±1.5 zwischen −40 °C und 375 °C ±0.004×T zwischen 375 °C und 800 °C	±2.5 zwischen −40 °C und 333 °C ±0.0075×T zwischen 333 °C und 900 °C
Chromel/ AuFe	−272 bis +300	nicht verfügbar	Reproduzierbar sind 0,2% der Spannung; Jeder Sensor muss individuell kalibriert werden.

Wirkungsgrad

Die erzeugte Spannung U_th hängt ab von der Temperaturdifferenz ΔT = T_h − T_l und dem Seebeck-Koeffizienten α:

$U_{th} = \alpha \cdot \Delta T$

Die dimensionslose Kennzahl ZT (engl. figure of merit) bestimmt den Wirkungsgrad η. ZT wächst quadratisch mit α und linear mit der mittleren Einsatz-Temperatur. Sie ist um so größer, je größer die spezifische elektrische Leitfähigkeit σ und je kleiner die spezifische Wärmeleitfähigkeit λ ist:

$ZT = \frac{\alpha^2 \cdot T \cdot \sigma }{ \lambda}$

Und für den Wirkungsgrad:

$\eta = \frac{ \sqrt{1+ZT}-1 }{ \sqrt{1+ZT} + T_l/T_h }\cdot \eta_{carnot}$

mit $\eta_{carnot} = \frac{T_h - T_l}{ T_h}$

Im Idealfall ist ZT unendlich und η_carnot der maximale Wirkungsgrad.

Beispiel: Bei einer Einsatztemperatur von $T_h= 500\,K$, einer Umgebungstemperatur von $T_l= 300\,K$ und einer Gütezahl ZT von 1 beträgt der Wirkungsgrad 20% des Carnot-Wirkungsgrads von 40%, insgesamt also maximal 8%. Bei ZT = 2 steigt er auf 30% des Carnot-Wirkungsgrades also insgesamt 12%. Im Einsatz werden bisher Wirkungsgrade kaum größer als 5% erreicht.

In Metallen korreliert die elektrische mit der thermischen Leitfähigkeit, da bei beiden die Beiträge durch Elektronen dominieren. Gemäß der Wiedemann-Franzschen Abschätzung liegt der Kehrwert von (T * σ / λ), die Lorenzzahl, bei 2.5e-8 V²/K². ZT hängt nur vom Seebeck-Koeffizienten ab. Für Metalle ist er deutlich kleiner als 100µK/V und damit ZT maximal 0,4. Bei Halbleitern lassen sich phononischer und elektronischer Anteil und damit die beiden Leitfähigkeiten entkoppeln. Hochdotierte Halbleiter und Quantentopf-Nanostrukturen erreichen im Labor ZT-Werte von 1,5 bis 2.

Anwendungen

Temperaturmessung

Absolute Temperaturmessung

Da mit Hilfe von Thermoelementen nur eine Temperaturdifferenz ermittelt werden kann, sind zur Messung der absoluten Temperatur weitere Maßnahmen notwendig. Hierzu muss die absolute Temperatur an den Drahtenden (Übergabepunkt) ermittelt und zum Differenz-Messergebnis addiert werden. Im einfachsten Fall werden die Leitungen des Elementes aus dem heißen Bereich heraus in einen Bereich mit Raumtemperatur geführt und deren angenommener Durchschnitt zum Differenz-Messergebnis addiert. Man muss dabei berücksichtigen, dass die metallischen Leiter des Thermoelementes selbst die Wärme aus dem heißen Bereich zum Übergabepunkt transportieren. Reicht wegen dieses Umstandes oder wegen Schwankung der Raumtemperatur diese Genauigkeit nicht aus, so muss die absolute Temperatur an den Drahtenden - für höchste Genauigkeit an jedem der beiden Enden getrennt - zusätzlich ermittelt werden. In der Vielzahl der Fälle reicht es aus, die Enden zwecks nahezu gleicher Temperatur nahe beieinander zu belassen (gemeinsamer Übergabepunkt) und nur dort die Absoluttemperatur zu ermitteln. Dies geschieht häufig durch Halbleiter-Temperatursensoren, die selbst nicht in der Lage sind, in den hohen Temperaturbereichen eines Thermoelementes zu arbeiten, bei Raumtemperatur hingegen schon. Letzten Endes reicht es bei dieser Methode aus, die Leitungen der Elemente aus dem heißen Bereich heraus bis zu einem Bereich zu führen, in dem der jeweilige Halbleiter funktionstüchtig ist (bis etwa 140 Grad Celsius).

Wegen der Schwierigkeiten, die Temperatur am Übergabepunkt exakt dem Sensor zu übergeben, wurde das Thermoelement in vielen Fällen von Widerstandsthermometern, wie dem Pt100 oder noch besseren und neueren Pt1000 verdrängt. Diese haben aber den Nachteil der größeren körperlichen Masse, nehmen damit die Umgebungstemperatur langsamer an und können daher nicht so schnell folgen.

mathematische Beschreibung

Mit diesem Datenerfassungsgerät können bis zu 60 Thermoelemente parallel gemessen werden

Ein offener Einschub für das Datenerfassungsgerät mit 20 angeschlossenen Thermoelementen.

Im folgenden Beispiel wird die Spannung U_th angegeben, die an einem so genannten Typ-K-Thermoelement bei der Temperatur T_Mess anliegt:

$U_{\rm{th}} = (k_{\rm{NiCr}} - k_{\rm{Ni}}) \cdot \Delta T$

mit

$\!\,\Delta T = T_{\rm{Mess}} - T_{\rm{Vergleichstemperatur}}$

Ein Thermoelement vom Typ K besteht aus einem Übergang zwischen einer Nickel-Chrom-Legierung und Nickel, wobei k_NiCr und k_Ni die thermoelektrischen Koeffizienten der Metalle Nickelchrom und Nickel darstellen. Durch Umstellen der Gleichung nach T_Mess kann die gesuchte Temperatur aus der am Thermoelement gemessenen Spannung errechnet werden.

Die Thermospannung wird meist durch einen geeigneten Verstärker aufbereitet, um sie messtechnisch erfassen zu können. Anhand der Differenz zur Vergleichsstellentemperatur (z. B. Eiswasser für 0 °C oder ein 50-°C-Vergleichsstellenthermostat) kann mit Hilfe der obigen Gleichung des Thermoelements dann die Temperatur an der Messstelle besser als ein Zehntel Kelvin genau bestimmt werden.

Anmerkung zur Vergleichsstellentemperatur

Zur genauen Berechnung der Temperatur muss beachtet werden, dass die Spannungsdifferenz zur Temperatur nichtlinear verläuft. Die obigen Gleichungen gehen zur Näherung von Proportionalität aus. Für eine genaue Bestimmung darf allerdings nicht die Temperatur, sondern es muss die zugehörige Thermospannung der Vergleichsstellenmessung subtrahiert werden.

Ein Thermoelement besteht notwendigerweise aus zwei Metallübergängen (Mess- und Vergleichsstelle), deren thermoelektrische Spannungen entgegengesetzt sind - sie liefern somit immer relative Werte zur sogenannten Vergleichsstellentemperatur. Liegt die Temperatur der Messstelle darüber, so liefert es positive Spannungswerte, liegt sie darunter, ist die Spannung negativ. Ist die Messstellen-Temperatur gleich der Vergleichsstellen-Temperatur, ist die Summe der Thermospannungen null.

Die Vergleichsstelle ist die Anschluss-Stelle der unterschiedlichen Metalldrähte des Thermoelementes an eine Leitung (z. B. Kupferkabel) - häufig identisch mit dem Eingang des Messgeräts. Mittels sogenannter Ausgleichsleitungen (aus identischem Thermomaterial oder auch als preiswertere Metall-Leitungen, die in begrenztem Temperaturbereich die gleichen thermoelektrischen Koeffizienten wie die jeweiligen Thermoelement-Drähte besitzen) kann die Vergleichsstelle an einen entfernteren Ort verlegt werden.

Während man früher diese Vergleichsstellen in einem Bad mit Eiswasser, einer elektrisch gekühlten Eispunktreferenz (Referenztemperatur 0 °C) oder auch in einem Thermostat (Referenztemperatur meist 50 °C) unterbrachte, wird heute üblicherweise der Anschluss des Messgeräts als Vergleichsstelle verwendet und die (veränderliche) Temperatur dieses Anschlusses gemessen. Dafür werden zum Beispiel Thermistoren oder Widerstandsthermometer verwendet und die gemessene Thermospannung numerisch korrigiert. Alternativ dazu werden in einfachen Geräten auch integrierte Schaltkreise verwendet, die nicht nur als Verstärker für die gemessene Spannung dienen, sondern auch direkt die Vergleichsstellentemperatur kompensieren - vorausgesetzt, sie haben die gleiche Temperatur wie die Anschluss-/Vergleichsstelle. Dieses Verfahren wird häufig in digitalen Vielfachmessgeräten (DVM) angewandt, die zur Temperaturmessung mit Thermoelementen ausgerüstet sind.

Alterung von Thermoelementen

Thermoelemente werden oft bei hohen Temperaturen und in reaktiven Ofenatmosphären eingesetzt. Hier wird die Lebensdauer in der Praxis durch Alterung begrenzt. Die thermoelektrischen Koeffizienten der Drähte im Bereich hoher Temperatur verändern sich mit der Zeit und die Thermospannung sinkt ab. Hier ist wichtig, dass die einfache Betrachtung der Temperaturdifferenzen zwischen den Verbindungsstellen nur gilt, wenn die Drähte ansonsten homogen sind. Bei einem gealterten Thermoelement ist aber gerade das nicht der Fall. Maßgeblich für das Entstehen der Thermospannung sind die Eigenschaften der Metalle im Bereich des Temperaturgradienten. Wird daher ein fest eingebautes gealtertes Thermoelement etwas aus dem Ofen herausgezogen, kommt das bei hoher Temperatur im Innern des Ofens gealterte Metall in den gesamten Bereich des Temperaturgradienten und der Messfehler steigt erheblich an. Umgekehrt zeigt ein gealtertes Thermoelement, wenn es tiefer in den Ofen geschoben wird, wieder genau an.

Strahlungsmessung

Die Hintereinanderschaltung mehrerer Thermoelemente ergibt eine Thermosäule (engl.: thermopile). Die thermoelektrische Spannung summiert sich entsprechend der Anzahl der Thermoelemente. Thermosäulen werden in empfindlichen Infrarotdetektoren und Laser-Leistungsmessern verwendet. Dabei wird die Temperaturdifferenz entlang eines Wärmeleiters (Scheibe, Kegel) gemessen, indem die Verbindungsstellen der Thermoelemente jeweils abwechselnd näher oder weiter entfernt von der Absorptionsfläche angebracht werden. Bei empfindlichen Aufbauten bilden die Thermoelemente selbst den Wärmeleiter.

Thermoelektrischer Generator

Prinzipaufbau eines thermoelektrischen Generators (gleicher Aufbau wie Peltier-Element)

Die direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie ist mit einem „thermoelektrischen Generator“ möglich (Thermovoltaik). Statt Metallen werden hier Halbleitermaterialien verwendet (siehe Peltier-Element), wodurch sich die Effizienz gegenüber Thermoelementen wesentlich steigern lässt. Heute verfügbare thermoelektrische Elemente haben dennoch nur einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad. Hinsichtlich einfachem Aufbau, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind sie jedoch allen anderen Verfahren überlegen.

Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren ist nur ein Bruchteil (ca. 17 %) des Carnot-Wirkungsgrades.

Gebräuchliche Materialien sind Bi₂Te₃, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi₂ mit realen Wirkungsgraden zwischen drei und acht Prozent. Werkstoffe mit besseren thermoelektrischen Eigenschaften sind gegenwärtig nicht bekannt.

Um ausreichend hohe Spannungen zu erhalten, werden mehrere zwischen der kalten und der warmen Seite montierte Elemente elektrisch in Reihe geschaltet.

Mit thermoelektrischen Generatoren ausgerüstete Petroleumlampen, Petroleum-Gasbrenner oder Holzkohlegrills^[2] werden als Stromquellen in abgelegenen Gebieten verwendet (z. B. zum Betrieb eines Rundfunkempfängers).

Thermoelektrische Generatoren werden auch in Radioisotopenbatterien, unter anderem für Raumsonden (z.B. wegen zu großer Entfernung von der Sonne) oder in abgelegenen Mess-Sonden, verwendet, wenn Solarzellen nicht zur Energieerzeugung eingesetzt werden können. Radioaktiver Zerfall künstlich hergestellter Radioisotope erzeugt hier die zum Betrieb erforderliche Wärme.

Autofirmen testen derzeit den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren, um aus der Restwärme der Abgase elektrischen Strom für die Systeme von Pkw zu gewinnen. Sie könnten nach Schätzungen der Autohersteller etwa neun Prozent des verbrauchten Kraftstoff einsparen. ^[3]

Thermosicherung mit Thermoelement, Leitung mit Kontakt und Magnetschalter

Feuerungsanlagen

In Gasherden und Gas-Durchlauferhitzern dienen Thermoelemente dazu, die brennende Flamme zu überwachen. Das durch die Flamme erwärmte Thermoelement liefert den für das elektromagnetische Offenhalten eines Brennstoffventils notwendigen elektrischen Strom. Verlischt die Flamme, erkaltet das Thermoelement, das Elektromagnetventil schließt, die weitere Brennstoffzufuhr wird unterbrochen. Die Methode hat den Vorteil, dass sie keine Hilfsenergie benötigt. Nachteil dieses Systems ist, dass es sehr träge reagiert und damit eine gewisse Gasmenge ausströmen kann.

In Heizungsanlagen wurde die Thermosicherung wegen ihrer Trägheit durch Zündsicherungen ersetzt, die die Ionisierung der Flamme beziehungsweise deren Leitfähigkeit überwachen. Sie reagieren schneller, benötigen jedoch eine Hilfsenergiequelle.

Rechts im Bild ist eine Thermosicherung abgebildet mit handelsüblichen Bauteilen, wie sie in einem Gasherd oder einer Gasheizung verwendet werden. Das Thermoelement liefert bei Erhitzung etwa 40 mV Spannung und einen Strom von ca. 10 mA mit dem der Magnetschalter (Elektromagnet), der zuvor manuell durch Eindrücken eines Knopfes geschlossen wurde, gehalten werden kann. Beim Abkühlen fällt der Magnetschalter innerhalb 30 Sekunden wieder ab, was man als ein Klicken hören kann.

Amortisationszeiten bzw. -energien und Wirtschaftlichkeit

Anwendung

Studien oder Untersuchungen zu Vergleichen von Amortisationszeiten bzw. -energien hinsichtlich der Integration von Thermoelektrischen Generatoren (TEG) existieren noch in sehr geringen Mengen. Jedoch werden besonders im Kfz-Bereich viele Vergleiche von Amortisation und Wirtschaftlichkeit angestrebt. Die Kfz-Industrie muss aufgrund neuer EU-Richtlinien zu CO₂-Emission Einsparungen und Energieeffizienztechnologien vermehrt auf die Anwendung Thermoelektrischer Generatoren zurückgreifen. Folglich liegt ihr Interesse an Untersuchungen zu Amortisation, Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Wirkungsgradverbesserungen thermoelektrischer Module bzw. TEGs.

Anwendungsgebiete von Thermoelektrika

Integration eines TEG in das Abgas-Nachbehandlungssystem

Siehe auch

• Strömungsmesstechnik
• Peltier-Element
• Thermotunneling

Literatur

• Daniel Jänsch (Hrsg.): Thermoelektrik. Eine Chance für die Automobilindustrie. expert-Verlag, Renningen 2009, ISBN 978-3-8169-2877-5 (Haus der Technik Fachbuch).

Einzelnachweise

1. ↑ Typ K – Thermopaar aus Nickel-Chrom / Nickel-Aluminium
2. ↑ Marius Beul: Alternative Stromerzeugung (2). In: elektor. Oktober 2008, S. 8-9 (http://www.elektor.de/jahrgang/2008/oktober/mailbox-oktober-2008/jahrgang/2008/oktober/mailbox-oktober-2008.687982.lynkx).
3. ↑ Artikel auf wiwo.de zum Einsatz im Automobil

Weblinks

•  Commons: Thermocouples – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
• Leitfaden für Anwender zur elektrischen Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern
• Daten zu Thermoelementen
• Rechentools für Thermoelemente und Widerstandsthermometer
• Farbtabelle für Thermoelemente
• Anwendung von Thermoelementen in Radioisotopengeneratoren
• Tabellen mit Thermospannungen gebräuchlicher Thermoelement-Typen
• Thermoelementtabelle für Typ k und Typ J (PDF; 95 kB)
• Normen für Thermoelemente (PDF; 48 KB)
• Caltech-JPL Thermoelectrics Website (englisch)
• Wettlauf um Strom aus Wärme Spiegel-Online-Artikel vom 3. Februar 2008
• Strom-aus-Abgas-Abwärme